Energetic particle injection events in the Kronian magnetosphere: applications and properties Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln vorgelegt von Anna Liane Müller aus Aßlar Köln 2011 Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar. 1. Referent: Prof. Dr. Joachim Saur 2. Referent: Prof. Dr. Bülent Tezkan 3. Referent: Dr. Norbert Krupp eingereicht am: 10.12.2010 Tag der mündlichen Prüfung (Disputation): 31.01.2011 ISBN 978-3-942171-44-1 uni-edition GmbH 2011 http://www.uni-edition.de c Anna L. Müller x This work is distributed under a x Creative Commons Attribution 3.0 License Printed in Germany At the touch of love everybody becomes a poet. - Plato Abstract The Kronian magnetosphere is highly dynamical. The inner part between 3 Rs and 13 Rs contains numerous injections of hot plasma with energies up to a few hundred keV. This thesis concentrates on electron measurements of the Magnetospheric Imaging Instrument (MIMI) onboard the Cassini spacecraft. The azimuthal plasma velocity as well as the in- jections of charged particles will be characterized. Due to the magnetic drifts, the injected particles at various energies begin to disperse and leave an imprint in the electron as well as in the ion energy spectrograms of the MIMI instrument. The shape of these profiles strongly depends on the azimuthal velocity distribution of the magnetospheric plasma, the age of the injection events as well as the trajectory of Cassini. Considering the known trajectory, the azimuthal velocity of the magnetosphere as well as the ages of individ- ual injections can be characterized. With a least-mean-square fit of the theoretical and observed dispersion profiles, these unknown parameters are obtained. The observation of inverted injection profiles indicates that the magnetosphere subcorotates. This thesis confirms the subcorotation and explains the observations of inverted electron dispersion profiles with a differential velocity profile. The measured flow profile clearly shows that the plasma subcorotates with velocities as low as 80% of full corotation at radial dis- tances between 8 Rs and 13 Rs. With the knowledge of the flow profile and the ages of each injection event, the location where the energetic particles were injected into the inner magnetosphere, are calculated. The night and the morning sector of the magneto- sphere are the preferred regions for the generation of hot plasma injections. Furthermore, an analysis of properties of the injections such as the particle pitch angle distribution are performed. The dependencies of intensities and spectral indices of the injection events of spatial parameter are characterized. The intensity of injection events matches with back- ground plasma densities which indicates that the intensity enhancements at L = 4 RS and L = 9 RS are not caused by the internal parameters of the injection events. The intensities show a clear dependency on local time. Injections originating in the noon to midnight sector are less intense than the ones injected on the midnight to noon sector. The low intensity injections are associated with the interchange instability while the high intensity injections might be generated through dipolarization due to magnetic reconnection in the magnetotail of Saturn. These large scale injections were observed with remote sensing. Large scale plasma injections could also be the cause of another subclass of injections, detect with in-situ measurements. Reconsidering the intensity of injections with respect to their age, we infer a lifetime of about 21 hours for injections in the analysed energy range. Zusammenfassung Die Magnetosphäre des Planeten Saturn ist hochdynamisch. Der innere Bereich zwischen 3 RS und 13 RS ist angefüllt mit Injektionen, bestehend aus hochenergetischem Plasma, mit Energien von bis zu einigen hundert keV.In dieser Arbeit werden dynamische Prozesse der Magnetosphäre sowie Eigenschaften der Teilcheninjektionen untersucht. Dazu werden Elektronendaten des sich auf der Raumsonde Cassini befindlichen Magnetospheric Imag- ing Instruments (MIMI) ausgewertet. Aufgrund magnetischer und elektrischer Felder be- ginnen die in die innere Magnetosphäre transportierten elektrischen Teilchen auseinander zu driften. Diese Signaturen sind dann mit Hilfe des Teilchendetektors MIMI als soge- nannte “Dispersionsprofile” in Energie-Zeit-Spektrogrammen sichtbar. Im Wesentlichen wird die Form dieser Dispersionsprofile durch den azimutalen Plasmafluss in der Magne- tosphäre, das Alter der Teilcheninjektionen sowie der Trajektorie von Cassini bestimmt. Unter Berücksichtigung der bekannten Trajektorie erhält man ein Modell der azimutalen Geschwindigkeit der Magnetosphäre sowie Werte für das Alter der einzelnen Teilchenin- jektionen. Mit Hilfe der Methode der kleinsten quadratischen Fehler werden numerisch berechnete mit beobachteten Dipsersionsprofilen verglichen. Das so erhaltene Geschwin- digkeitsprofil zeigt deutlich, dass die Magnetosphäre subkorotiert. In einem Abstand von 8 RS bis 13 RS rotiert das magnetosphärische Plasma mit gerade einmal 80 % der Ko- rotationsgeschwindigkeit. Kennt man das Geschwindigkeitsprofil sowie das Alter einer individuellen Teilcheninjektion, so kann man dieses zurückverfolgen und somit den Ort bestimmen, an dem das Plasma in die innere Magnetosphäre injiziert wurde. Die Nacht- sowie Morgenseite sind bevorzugte Bereiche für Teilcheninjektionen. Weiterhin wurden Injektionseigenschaften wie die Intensitäten und die spektralen Indizes in Abhängigkeit der Position sowie vom Alter der Teilcheninjekionen untersucht. Die Intensitäten zeigen eine Korrelation mit der Dichte des Hintergrundplasmas. Dies läßt die Schlußfolgerung zu, dass die Intensitätsmaxima der Teilcheninjektionen bei L = 4 RS und L = 9 RS in Zusammenhang mit dem Hintergrundplasma stehen und weniger Eigenschaften der Injek- tionen selbst sind. Betrachtet man die Intensitäten in Abhängigkeit von der Lokalzeit, so zeigen sich klare Unterschiede in den verschiedenen Sektoren. Die Teilcheninjektionen, die ihren Ursprung im Mittags- bis Mitternachtssektor haben, sind weniger ausgeprägt in ihrer Intensität. Diese Injektionen können in Zusammenhang mit großskaligen Plasmain- jektionen, die durch Fernerkundungsinstrumente beobachtet wurden, gebracht werden. Verursacht werden diese Art von Injektionen durch Dipolarisation aufgrund von Rekon- nektionsprozessen in der magnetosphärischen Schweifregion. Unter Berücksichtigung der Intensitäten der Injektionen als Funktion ihres Alters folgern wir eine durchschnitt- liche Lebensdauer von 21 Stunden. Contents Preface 1 1 Introduction 3 1.1 Saturn - jewel of the solar system . 3 1.1.1 Mythology . 3 1.1.2 History of Saturn’s exploration . 4 1.1.3 General properties of the planet . 5 1.1.4 Moons . 6 1.2 Magnetosphere of Saturn . 7 1.2.1 Plasma sources . 8 1.2.2 Dynamics of the magnetosphere . 9 1.2.3 Electron distributions . 12 1.3 Injection events . 13 1.3.1 Injections at Earth . 13 1.3.2 Injections at Jupiter . 15 1.3.3 Injections at Saturn . 16 1.3.3.1 Pitch angle distribution of injections . 18 1.3.3.2 Inverted dispersion profiles . 19 2 Theoretical background 21 2.1 Space plasmas . 21 2.2 Single particle motion . 22 2.2.1 Gyration . 23 2.2.2 E × B drift . 25 2.2.3 Magnetic gradient and curvature drifts . 25 2.3 Pitch angle distributions . 27 2.4 Adiabatic invariants . 29 2.5 Dispersion theory . 31 3 Instrumentation 35 3.1 The Cassini spacecraft . 35 3.2 Magnetospheric Imaging Instrument: MIMI . 37 3.2.1 Low Energy Magnetosphere Measurement System: LEMMS . 37 3.2.2 CHEMS and INCA . 38 i Contents 4 Azimuthal plasma flow 41 4.1 Drift paths and dispersion profiles . 41 4.2 Dataset and detection of injections . 43 4.3 Plasma flow model . 45 4.4 Azimuthal plasma flow . 46 4.4.1 Comparison and conclusions . 47 4.5 Injection site and ages . 49 4.5.1 Comparison and conclusions . 51 5 Properties of injection events 53 5.1 Pitch angle distribution of injections . 53 5.1.1 Conclusions . 56 5.2 Intensity and spectral index . 57 5.2.1 Observations and conclusions . 59 6 Conclusions and outlook 63 A Appendix 65 A.1 Constants and variables . 65 A.2 Acronyms . 66 Bibliography 67 Publications 75 Acknowledgements 79 ii List of Figures 1.1 Saturn and rings . 3 1.2 Painting of the mutiliation of Uranus by Kronos . 4 1.3 Image of the 62nd moon of Saturn . 6 1.4 Artistic view of the Saturnian magnetosphere Krimigis et al. (2007) . 7 1.5 Interaction of Enceladus with the magnetosphere . 8 1.6 South polar region of Enceladus . 9 1.7 Vasyliunas cycle . 10 1.8 Plasma flow cycles . 11 1.9 Differential electron intensities (Paranicas et al. 2010) . 12 1.10 Model of electron densities (Persoon et al. 2009) . 13 1.11 Magnetotail evolution during a substorm . 14 1.12 Energy-time-spectrograms . 16 1.13 ENA emissions of a large-scale injection (Mitchell et al. 2009) . 17 1.14 Energy-time spectrogram and pitch angle distributions of an injection event on day 2005/303 (Rymer et al. 2008) . 18 1.15 Energy-time-spectrogram of 2004/182-183 (Mauk et al. 2005) . 19 2.1 Geophysical plasma parameters . 21 2.2 Gyromotion . 24 2.3 Pitch angle . 24 2.4 E × B drift . 25 2.5 Magnetic drifts . 26 2.6 Typical pitch angle distributions . 27 2.7 Pitch angle distributions . 28 2.8 Pitch angle changes due to adiabatic transport . 29 2.9 Concept of mirroring particles . 30 2.10 Magnetic drift velocities . 31 2.11 Theoretical ion and electron dispersion profile. 33 3.1 The Cassini spacecraft . 35 3.2 Sketch of the Cassini spacecraft with instrumentation . 36 3.3 The LEMMS sensor . 38 3.4 LEMMS cut-sectional view . 39 4.1 Energy-time-spectrogram of 2004/182-183 . 41 4.2 Drift angles of electrons and ions . 42 4.3 Count rates for different PHA channels . 44 iii List of Figures 4.4 Detected injection event . 45 4.5 Azimuthal plasma flow . 47 4.6 Ages of injection events . 49 4.7 Local time distribution of injections . 50 5.1 Energy-time spectrogram of 2004.302 .